Термостат на NTC-термисторе: компаратор с гистерезисом и реле

Схема

Термистор RK стоит в верхнем плече делителя с R5, поэтому при нагреве напряжение в средней точке растёт: сопротивление термистора падает. Это напряжение подано на инвертирующий вход компаратора, на неинвертирующий — опорный делитель R1–R2 с обратной связью R3, как в странице о компараторе с гистерезисом.

Пока холодно, напряжение делителя ниже нижнего порога, выход компаратора закрыт, и подтяжка R4 открывает транзистор VT1 — реле включено, нагреватель греет. Когда температура поднимается выше 42 °C, напряжение переходит верхний порог, выход замыкается на общий провод и реле отпускает. Обратно реле включится, только когда станет холоднее 40 °C.

Расчёт

1. Термистор и делитель. Сопротивление NTCLE100E3 при 40 °C по кривой Vishay — 5,33 кОм. R5 берём близким к нему, 5,1 кОм: наклон делителя тогда наибольший. Напряжение в средней точке:

Около 40 °C напряжение меняется примерно на 50 мВ на градус. Калькулятор открыт с этим примером — меняйте температуру, чтобы получить напряжение для своих порогов:

2. Пороги компаратора. Для включения при 40 °C и выключения при 42 °C делитель даёт 2,445 и 2,545 В. Это целевые пороги.
3. Резисторы. Калькулятор компаратора решает уравнения TI SNOA997A для выхода с открытым коллектором: при R2 = 10 кОм точные значения R1 = 10,03 кОм и R3 = 240,8 кОм, ближайшие из ряда E24 — 10 и 240 кОм. С ними пороги 2,449 и 2,549 В, то есть 40,1 и 42,1 °C, гистерезис 100 мВ ≈ 2 °C:

4. Синфазный диапазон. Неинвертирующий вход держится около 2,5 В — ниже 3 В, предела синфазного диапазона LM393 при питании 5 В во всём диапазоне температур. Напряжение на инвертирующем входе при сильном нагреве выходит за этот предел (при 85 °C — около 4,1 В), но TI допускает, чтобы в диапазоне оставался хотя бы один вход (SLCS005AH, примечание 2 к разд. 5.8).
5. Ключ. Единица на выходе — 4,9 В: подтяжка R4 нагружена цепью обратной связи. Для AO3400A этого достаточно: сопротивление канала нормировано при 4,5 В и не больше 32 мОм. Ноль LM393 нормирован при токе 4 мА: до 400 мВ при 25 °C и до 700 мВ во всём диапазоне температур (SLCS005AH, разд. 5.8) — а 700 мВ уже выше наименьшего порога открывания AO3400A, 0,65 В. Выручает малый ток: выход здесь принимает около 0,5 мА (подтяжка и обратная связь), в восемь раз меньше условий таблицы, и остаточное напряжение на нём соответственно меньше. Если транзистор взять с меньшим порогом или подтяжку — меньше, этот запас нужно проверить заново.
6. Реле. Катушка G5Q-1 DC5 потребляет 80 мА; падение на транзисторе — единицы милливольт. Диод VD1 1N4148 (300 мА, 75 В) гасит выброс при выключении катушки — подробно в странице о драйвере реле.

Погрешности

• Допуск термистора. NTCLE100E3 выпускают с допуском R25 ±2, ±3 и ±5 %. Чувствительность около 40 °C — 4,0 % на градус, так что ±5 % дают около ±1,2 °C, ±2 % — около ±0,5 °C. Допуск B25/85 (±0,75 %) около 40 °C добавляет меньше.
• Резисторы. Делители R5–RK и R1–R2 работают как пары: берите резисторы с допуском 1 % — тогда их вклад тоже порядка десятых градуса.
• Компаратор. Смещение LM393 — до 5 мВ, сдвиг порогов от входного тока — около 1 мВ. При 50 мВ на градус это 0,1 °C.
• Самонагрев. Ток делителя — около 0,48 мА, на термисторе рассеивается 1,2 мВт. При коэффициенте рассеяния 7 мВт/К (справочное значение Vishay) перегрев — около 0,2 °C.
• Инерция. Тепловая постоянная времени термистора — 15 с (справочно). Вместе с инерцией нагревателя это значит, что реальная температура выходит за пороги: гистерезис термостата меньше 1 °C почти не имеет смысла.

Вариант с микроконтроллером

Если устройство всё равно на микроконтроллере, делитель с термистором подают на вход АЦП, а гистерезис делают программно. Схема делителя и пересчёт кода АЦП в температуру по формуле Стейнхарта — Харта — в калькуляторе NTC, выход на реле — драйвер реле. Логика термостата:

#include <stdbool.h>

/* Heater control with hysteresis: on below 40 C, off above 42 C */
#define T_ON   40.0f
#define T_OFF  42.0f

void relay_write(bool on);   /* drives the relay through a transistor */

static bool heater = false;

void thermostat_step(float celsius)
{
    if (celsius < T_ON)       heater = true;
    else if (celsius > T_OFF) heater = false;
    /* between the thresholds the previous state is kept */
    relay_write(heater);
}

Плюсы варианта с АЦП — пороги задаются в градусах и меняются без пайки, можно добавить индикацию и защиту от обрыва датчика (код у края шкалы). Плюс аналоговой схемы — она работает без программы и не зависнет.

Детали

Входы второго компаратора LM393 висящими не оставляют — наводки будут переключать его выход. TI на примере разводки (SLCS005AH, рис. 7-4) соединяет 2IN+ (вывод 5) с общим проводом, 2IN− (вывод 6) — с питанием или общим проводом, а выход 2OUT (вывод 7) оставляет свободным.

Почему не работает

• Реле включается при нагреве, а не при охлаждении. Термистор и резистор в делителе поменяны местами — напряжение падает при нагреве, логика перевернулась.
• Реле часто щёлкает около порога. Гистерезис меньше шума и инерции системы: уменьшите R3 или разнесите пороги.
• Температура срабатывания отличается на градус-два. Допуск термистора ±5 %: возьмите термистор с допуском ±2 % или подстройте опорный делитель.
• Реле не включается совсем. Нет подтяжки R4: выход LM393 — открытый коллектор и сам единицу не выдаёт.
• Транзистор греется. Затвор не получает полного напряжения — проверьте, что R4 подключён к 5 В, а не к 3,3 В, и что цепь обратной связи не слишком мала.
• Обрыв провода термистора включает нагрев навсегда. При обрыве напряжение делителя падает до нуля — это «очень холодно». Защиту от обрыва проще сделать в варианте с микроконтроллером.